嵌入式无线视频监控系统设计

在Linux操作系统中，外部设备都作为设备文件来管理，因此，对外部设备的操作就转变成对设备文件的操作。视频设备文件位于/dev/目录下，一般情况下为video0。当摄像头通过USB接口连接到视频采集终端后，在程序中调用V4L APIs对设备文件video0的读操作即可实现摄像头视频数据采集。其主要过程如下：

1)打开设备文件： int v4l_open(char *dev, v4l_device *vd){}打开影像源的设备文件；

2)初始化picture： int v4l_get_picture(v4l_device *vd){} 获取输入的影像信息；

3)初始化channel：int v4l_get_channels(v4l_device *vd){} 获取每个channel的信息；

4)对channel设置norm：int v4l_set_norm(v4l_device *vd, int norm){} 对所有的channel设置norm；

5)设备地址映射：v4l_mmap_init(v4l_device *vd){} 返回存放图像数据的地址；

6)初始化mmap缓冲区： int v4l_grab_init(v4l_device *vd, int width, int height){}；

7)视频捕获同步： int v4l_grab_sync(v4l_device *vd){}；

8)视频捕获： int device_grab_frame(){}。

通过以上操作，即可将摄像头视频数据采集到内存。采集到内存的视频数据既可采用文件的形式保存，也可将其压缩后封装进数据包，通过网络传输到数据处理中心。本设计采用后一种处理方法，即：先将采集的视频数据进行JPEG压缩，再将其封装进数据包传输到视频应用服务端处理。

3 视频压缩模块设计

由于视频采集模块采集的视频数据信息量较大，如果直接通过网络传输，则会增加数据传输系统的负担，大大降低数据传输效率。为此，本设计采用JPEG —Joint Photographic Experts Group压缩编码算法对视频数据进行压缩。JPEG是一个适用于彩色、单色多灰度、连续色调静止数字图像的压缩标准，是静态数字图像压缩的国际标准，不仅适用于静止图像压缩，而且适用于电视图像序列的帧内图像压缩。由于JPEG压缩采用的是全彩影像标准，其主要处理过程包括：色彩模型转换、离散余弦— DCT变换、重排DCT结果、量化、编码等。

在本设计中，采用最基本的JPEG算法，其主要步骤为：首先，通过离散余弦变换（DCT）去除数据冗余；其次，使用量化表对DCT系数进行量化；最后，采用Huaffman可变字长编码对量化后的DCT系数进行编码，使其熵达到最小。通过实验，数据压缩效果良好，图像压缩率可以达到70%左右。

4nRF2401无线发射、接收模块设计

本设计采用nRF24012.4GHz无线收发芯片完成视频数据的无线传输。nRF2410是一款单片射频收发芯片，工作在2.4GHz~2.5GHz ISM频段，该芯片内置频率合成器、功率放大器、晶振和调制解调器等功能模块，其输出功率和通信频道等参数都可以通过程序进行配置。内置的 DuoCeiver接收器使nRF2401可以使用同一天线同时接收两个不同频道的数据，这为视频数据的传输提供了有利条件。

nRF2401在发送和接收数据时主要完成以下操作：

1）初始化发送端和接收端：主要完成I/O端口的配置，使能发送器/接收器，启动计数器等；

2）发送器/接收器配置：先打开配置方式，再配置发送/接收器，最后使能收发功能；

3）接收包/接收包处理：

4）发送/接收数据：完成数据包的发送/接收操作；

5）读取A/D转换结果：等待AD转换完成后，读取A/D转换结果数据，并开始接受新的转换；

5 视频传输模块设计

视频传输模块收到无线接收模块递交的视频数据后，可以通过串口或网络接口将其传输到视频应用服务端，本设计采用网络接口进行数据传输。目前，互联网上传输视频数据大多采用UDP协议。UDP协议提供非连接、不可靠的数据传输，由于接收端只对收到的UDP数据包进行简单的完整性校验，丢弃有错误的数据包，因此数据传输速度较快。然而，为了提高数据传输的准确性和减少因使用UDP协议而额外增加的、繁琐的数据确认操作，本设计选用面向连接的、可靠的数据传输协议—TCP。

6视频应用服务端—视频显示模块设计与实现

视频应用服务端采用Borland C++ Builder6.0完成监控视频的合成(如果视频应用服务端采用Linux操作系统，则可以使用Kylix完成相同的功能)。由于BCB的Image类可以完成精确到像素的图像处理能力，可以将BMP、Drawing、自定义图形等显示成图像。因此，Socket API 从网络接收视频数据后，首先将接收到的JPEG图像转换成BMP，然后将其传送给Image对象，Image对象最后处理视频数据、生成图像视频并将其显示出来。

7 结束语

本文提出了一种基于ARMS3C2410X的嵌入式无线视频监控系统设计。采用嵌入式Linux操作系统进行视频采集、压缩和打包并通过nRF2401无线发射、接收模块进行视频数据无线传输，最后通过TCP/IP网络将视频数据从视频传输模块传输到视频应用服务端，构成一套完整的无线视频监控系统。由于系统的核心工作采用高性能嵌入式处理器完成，因此该系统具有结构简单、性能稳定、成本低廉等优点，在油田、油气井无线视频监控，智能家居等领域具有广阔的应用前景。

本文作者创新点:将视频监控从有线系统延伸到无线系统，提出了构建无线视频局域网的一种方法，此方法在智能家居等领域具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1] 陈俊宏，Embedded Linux嵌入式系统原理与实务[M].北京：中国铁道出版社，2004

[2] 曹 翔， 实时视频传输在MPLS网络中的QoS研究[J]. 微计算机信息，2006，7-3：58-60

[3] Nordic VLSI ASA .nRF2401 Single Chip 2.4GHz Radio Transceiver Product Specification，2003.